天然气水合物形成机理及有效清除.pdf

第 3 2卷 第 3期 2 0 1 0年 5月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI LLI NG PRODUCT1 0N TECHN0L0GY V0 1 ． 3 2 No ． 3 Ma v 20l 0 文章编号 1 0 0 07 3 9 3 2 0 1 0 0 3 0 0 3 30 4 天然气水 合物形成机 理及有效 清 除 张 亮 马 认琦 苏 杰 张向 华 苗 典 远 中海油能 源发展有限公 司监督监理技术公 司， 天津3 0 0 4 5 2 摘要 在深水油气田完井作业过程中， 管柱内生成的天然气水合物会堵塞流动通道， 严重影响正常作业， 通过对天然气水 合物形成机理及预防的研究， 分析了解决完井作业过程中天然气水合物堵塞的措施方案， 并以作业实例说明现场施工中遇到的 困难和具体的作业处理流程， 为后续的深水完井作业提供了理论和经验， 可进一步推广应用。 关键词 天然气水合物；完井作业；深水油田；影响； 水合物堵塞 中图分类号T E 8 3 ；P 7 4 4 ． 4 文献标识码 A Fo r m a t i o n m e c ha ni s m a nd e f f e c t i v e c l e a r up o f ga s hy dr a t e Z H A N G L i a n g ， MA R e n q i ， S U J i e ， Z H A NG X i a n g h u a ， MI A 0 D i a n y u a n C NO OC E n g e r g y T e c h n o l o g y＆S e r v i c e s L t d S u p e r v i s i o n＆ T e c h n o l o gy C o m p a n y ． T i a n j i n 3 0 0 4 5 2 ， C h i n a Ab s t r a c t Du r i n g c o mp l e t i o n o f o i l a n d g a s fi e l d s i n d e e p wa t e r , t h e g a s h y d r a t e g e n e r a t e d i n s i d e t h e t u b e c o l u mn ma y b l o c k t h e c h a n n e l ， i n fl u e n c i n g t h e n o r ma l o p e r a t i o n s e v e r e l y ． T h r o u g h t h e s t u d y o n t h e f o rm a t i o n me c h a n i s m a n d p r e v e n t i o n o f g a s h y d r a t e s i n t h i s p a p e r ， s o l u t i o n s t o t h e b l o c k i n g o f g a s h y d r a t e d u r i n g c o mp l e t i o n a r e a n a l y z e d ． E x a mp l e s a r e g i v e n t o i l l u s t r a t e t h e d i ffi c u l t i e s i n fi e l d o p e r a t i o n a n d t h e s p e c i fi c t r e a t me n t s c h e me s ． Th i s p r o v i d e s v a l u a b l e t h e o r i e s a n d e x p e r i e n c e f o r d e e p wa t e r c o mp l e t i o n i n n e a r f u t u r e a n d ma y b e a p p l i e d f u r t h e r ． Ke y wo r d s g a s h y d r a t e ； c o mp l e t i o n ； o i l fi e l d i n d e e p wa t e r ； e f f e c t ； h y d r a t e b l o c k i n g 深水 A油 田钻完井作业期 间， 天然气水合物 的 生成带来了许 多管道堵塞 问题 ， 常会引起 连接器解 脱困难 ；使油流通道切断 ， 处理事故耗时费力 ；还会 使 电缆工具卡在管 内， 造成 中部完井管柱处理事故 时循环通道被堵 ， 管柱 内形成天然气水合物堵塞， 在 放喷清井时又会出现修井立管堵塞， 最终导致深水 作业 日费高昂， 由此可见 ， 天然气水合物对油田完井 作业影响不容忽视。 1 A油 田完 井作业 中水合物成 因分析 Aa l y s i s o f h y d r a t e f o r m a t i o n d u r i n g c o mp l e - t - i o n o f A Oi l fi e l d 天然气水合物是 由天然气和水组合在一起像 冰 一 样的固体。微观 卜， 这种物质事实上是 南一种分子 侵入另一个分子结成的物理组合 ， 然后形成 了晶状 结构。如果被侵入的是水， 则被称作晶状水合物， 如 果是天然气 ， 则称为天然气水合物。一般通称为天然 气水合物 。天然气水合物一般在低温和高压条件下 生成。越小分子的烃 ， 越难于形成水合物。深水油田 作业 的 自然环境满足形成天然气水合物的低温高压 条件 ， 一旦水和天然气 同时存在， 就有形成天然气水 合物的可能。深水 A油田所处水深 1 3 5 0 ～ 1 4 5 0 m， 最 低温度 4 。水深与实测温度对应如图 1 所示。 对 A油 田油藏 初 期 油 气 组 分摩 尔百 分 比分 析 ， 其 中 C 含 量 为 6 1 ． 7 1 1 ％， 油 藏 原 始 油 气 比为 4 5 7 ． 7 1T I ／ m ， 油藏 温度 为 8 2℃， 饱 和 压力 为 3 1 ． 2 4 MP a 。通过先期实验研 究， A油 田油藏 A 的流体中 气体 与水形成天然气水合物相态冈为图 2所示 ， 曲 作者 简介 张亮， 1 9 7 3年 生。1 9 9 6年毕业 于江汉石油学 院采油 r- 4 e 业 ， 现 主要 从事钻 井监 督监理技 术研 究与应 用．Y - 作 ， 高级工程 师 电话 1 3 6 0 2 0 3 5 5 5 4 ， E - ma i l z h a n g l i a n g ．p r c g ma i l ．C O I l 1 。 3 4 石油钻采工艺 2 0 1 0年 5月 第 3 2卷 第 3期 3 O 2 5 p 2 O l 5 1 0 5 O 水深『 m 图 1 深水 A 油田水深与实测温度对应 曲线 F i g ． 1 Co r r e s p o n d e n c e b e t we e m wa t e r d e p t h a n d me a s u r e d t e mp e r a t u r e i n A Oi l fi e l d 线左部 为天然气水合物固体相态 ， 右侧为水和天然 气的流体相态。 温度／ ℃ 图 2 气体 与水形成天然气水合物相 态图 F i g ． 2 P h a s e d i a g r a m o f g a s h y d r a t e f o r ma t i o n 深水钻完井作业期间， 各流程均采 取了有效预 防地层流体入侵的措施 ， 尽可能地预防了天然气水 合物的生成 ， 最易生成水合物的流程是 清井排液作 业 。完井作业 时漏失的水基完井液和油管内部的工 作液 ， 需要在投产前用钻井船进行清井排液 ， 以减少 进入生产流程的流动安全隐患。排液流程为完井管 柱一水下采油树 x T 一立管下部模块 L R P E D P 一 修井立 管 WO R一 地面流动头 S F T 一地面测 试设备。清井排液分 4个 阶段进行初始阶段主要 是用较小油嘴使系统压力逐渐建立；提液阶段通过 逐渐放大油嘴， 使油井达到最大产量； 降低含水阶 段使油井在最大产量情况下 ， 含水量降至最低 ；最 后是关井恢复阶段。每个阶段约需 6 ～ 8 h 。清井过 程中， 含水量会随着总排液量而减小 ， 含水量 的对数 与总排液量成直线关系。在清井排液的初始阶段末 尾， 是地层流体与管内原有液体在地面流程中交汇 的时期。此时， 采油树以上的立管下部模块和 1 3 0 0 m 的修井立管 中， 油气与水在低温高压环境下并存 ， 天然气水合物生成条件充分。 2 抑制A油田天然气水合物形成的实用方法 Pr a c t i c a l me t h o d s t o i nh i b i t g a s h y d r a t e f o r - ma rio n in A oi l I i e l d 防止水合物形成最常用的方法是减少游离水。 有 3种化学方法用于水合物抑制 热动力学抑制 、 动力学抑制 、 水合物晶体聚集和成 团的抑制 。热动 力学抑制以降低水表面张力提高气的凝聚速度来抑 制水合物形成 ， 主要用于石油的生产和运输 。动力 学抑制能阻止水合物形成一层或多层 ， 通过调整形 成晶体的核心， 而不计入平衡图线。使用动力学抑 制剂的聚合物或共聚物已经试验通过， 但未用作钻 井液添加剂 ， 用之前还要进行处理。防止水合物 晶 体聚集 的这种药剂不用作 阻止水合物形成 ， 但可 以 防止水合物颗粒成团。有很好的水合物颗粒体系不 能明显改变体系的黏度。 第 3 种化学方法为水合物 聚集成团的抑制 ， 该 化学药剂量就对应了能够升高液体温度的机理， 水 流量越大和需要升高的温度越多， 则需要添加 的药 剂越 多 。 W 1 O 0 AT M ／ C△T M 1 式 中， 为安全温降， F ； C为抑制剂常数 甲醇 me t h 。 a n o 1 2 3 3 5；混甲醇 ME G 2 0 0 0 ～ 2 7 0 0 ；W为抑制 剂在水相中重量百分比； M 为抑制剂的摩尔质量 甲 醇 3 2 ， 混 甲醇 6 2 ， g ／ mo l 。 由于 W ID ／ Q m 曲 』9 p 2 故 Q m e o h k x Q w a t e r MAT 3 其中， 甲醇密度为 0 ． 8 g ／ c m ， 水为 1 g ／ c m3 , 根据 3 式 ， 可以绘制不 同的产水量下 ， 药剂加入排量与温 度升高值的关系， 如图 3所示。 一 产水量1 5 0 in ／ d 一 产水爨1 4 0 m3 ／ d 一 产水敷l 3 0 mV d 一 产水量1 2 0 m3 ／ d 一 产水量l 1 0 m ] ／ d 一 产水赣1 0 0 m3 ／ d 一 产水量9 o 『d 一 产水量8 0 m V d 一 产水量7 0m ／ d 一 产水量6 0 m V d 一 产水爨5 0 m 3 ／ d 一 产水量4 0 m ’ ， d 产水量3 0 m V d 一 产水爨2 0 m V d 一 产水量1 0 m 3 ／ d 图 3 药剂加入排量与温度升高值 的关系 F i g ． 3 Co r r e l a t i o n b e t we e n d o s i n g a n d r i s i n g t e mp e r a t u r e 以图 2所示为例在清井排液流程管线上 ， 某节 点处预测的温度 1 7 c 、 压力 1 4 MP a ， 由相态图上描 点可知预防天然气水合物所需温度增加值为 2 0 ． 7 5 1 7 3 ． 7 5 ℃ ， 根据图3 ， 在产水量为 6 0 m ／ d 情况下， 张亮等 天然气水合物形成机理及有效清除 3 5 需要加入的药剂甲醇排量为 5 L ／ mi n 。 3 清除天然气水合物实例 Ca s e h i s t o r i e s o f g a s h y d r a t e c l e a nu p 深水油 田钻井作 业过程 中， 油基钻井液 的使用 和井控措施 的实施 ， 阻止 了地层流体的人侵 ， 有效控 制了天然气水合物的生成。使用水基完井液的完井 作业 ， 射孔打开油气层后 ， 作业期间无法避免油气进 入， 特别是安装油管和采油树期间， 地层流体被隔绝 在下部井 筒内， 地层流体与完井液混和。在清井排 液 阶段遇到水合物生成 的高压低温环境 ， 堵塞事故 极易发生。 A9井 设 计 为两 层 压 裂 充 填 防 砂 ， 油 层 深 度 3 2 8 4 ～3 2 7 2 m， 两层压裂充填 时地层 吸人量达 5 0 0 m ， 由于地层隔离 阀 深度 3 2 4 3 m 故障 ， 重新安装 时井下发生气窜溢流 ， 处理事故时钻杆被水合物堵 塞 ， 采取正挤加热 C a C 1 ， 盐水解堵 。整个事故处理 过程 中， 漏失 8 0 0 m 盐水完井液 ， 累计完井液入侵 地层 1 3 0 0 m ， 下部地层 预计 4 5 0 m 。为后续的清 井排液作业带来很大的困难。清井排液施工过程 如下 1 地面流程 、 修井立管及采油树总成安装完毕 后 ， 修井立管内替人白油 ， 测试生产关断和应急关断 反 应 。 2 正加压 打开地 层 隔离 阀， 泵压 由 2 0 ． 7 MP a 下降为 6 ． 6 MP a ， 稳定在 3 ． 1 MP a ， 确定开井 ， 开始在 L R P注入阀以 5 L ／ mi n排量注人甲醇。 3 以 06 ． 3 5 mm的油嘴开井放 喷， 返 出白油进 罐 。以 3 L ／ mi n排量 由井下化学药剂注入阀注入混 甲醇和防蜡剂 ， 防止结蜡和水合物堵塞 ， 因注入泵压 高达 3 3 ． 1 MP a ， 排量降至 1 L ／ rai n 。 4 增大油嘴至 09 ． 5 2 5 mm， 油压 3 ． 4 5 MP a ， 油 温 2 7 ， 返出为白油。 5 增大油嘴至 1 2 ． 7 mm， 油压 由 5 ． 2 MP a 增 至 最高 8 ． 4 8 MP a ， 返出为 1 0 0 ％ 白油 。 6 油嘴 压 力 降至 5 ． 2 MP a ， 且采 油 树 温 度 降 低 ， 流速 降低 ， 怀 疑井 下流 程 内形成 水合 物堵 塞 ， 增 加 L R P甲醇注入量 至 9 L ／ mi n ， 并 在水面 防喷盒 O WL V 注入 甲醇 3 L ／ rai n 。 7 增大油嘴至 O1 2 ． 7 mm， 油压 4 ． 3 3 MP a ， 含水 6 0 ％ 。 由于地面无液体返 出， 停止在 OWL V注人 甲醇 ， 返 出总液量 2 8 ． 5 5 m ， 总气量 1 5 9 ． 1 7 m ；由温度 变 化可知， 采油树温度由上升转为下降， 说明井内流体 流动停止 ；由流程中压力变化可知 ， 油嘴压力下降 ， 井下压力上升， 采油树压力略升， 说明流体在修井立 管 内停止流动 ；判断堵塞发生在修井立管。对形成 在修井立管的天然气水合物堵塞进行脱离井 口连接 的处理如下 1 关闭油嘴和井下安全阀， 打开 L R P环空与生 产通道 ；用固井泵 以 8 0 L ／ mi n从环空挤入 白油 7 5 0 L， 关闭采油树清蜡 阀， 由 L R P注入混甲醇 9 L ／ mi n ， 压力升至 2 0 ． 6 MP a ， 从环空放压至 1 3 ． 7 8 MP a ； 试 图 反向激发打通流道失败。 2 停止所有药剂注入 。 3 固井泵 向采油树主 阀以下挤入 1 ． 2 m 混 甲 醇后放压。保证泥面附近上部完井管柱不再形成天 然气水合物 。 4 关闭下层滑套进行井下关井 ， 关闭采油树 的 环空翼阀、 环空服务阀和油管挂环空阀， 进行采油树 处关井 ， 解脱 L R P， 移船到离井 口2 5 0 I 1 3 外 的安全作 业准备区。 5 钢丝作业下 09 6 ． 7 7 1 T l I n通径规 ， 在 5 8 3 1 1 3 深 度遇阻 ， 确认堵塞。对 O WL V正面试压 2 0 ． 7 MP a ， 打 开 OWL V观察井 口准备起钻 ， 发现修井立管有返出。 由于现场不具备起修井立管的安全条件 ， 决定 用连续油管 冲洗解堵 。 1 安装连续油管设备 c T u ， 下入连续油管用 白油循环冲洗至 1 2 2 6 m， 排量 1 9 1 L ／ mi n 、 压力 3 0 ． 4 MP a ， 至 1 4 1 9 I 1 3 探出 L R P下端 口， 用 R OV确认 。 2 移船 回接井 口， 通过环空脐带缆循环 乙二醇 至修 井立管。连接 电缆线 和液压控制线 ， 冲洗 X T ／ L R P ／ E DP流动通道 ， 清井作业准备就绪。 3 用 0 6 ．3 5 m m油嘴放喷， 第 2 次打开下层， 二 次形成天 然气水合 物 ， 注入 3 ． 2 1 T I 混 甲醇 ， 对天然 气水合物堵塞正面试压 1 3 ． 7 8 MP a ， 反面试压 1 0 ． 3 4 MP a皆不能打通。 4 第 2次 冲洗。用连续油管 冲洗 白油至 1 7 6 3 I I 1 井下安全 阀以上 5 0 m ， 更换T具组合替入 白油 至生产封隔器 3 2 2 6 1T I 处。 5 重新开井放喷， 没有再次发生水合物堵塞 ， 放 喷清井数据见表 1 。 由表 1 可知， 高油气比和产水量大是导致 A 9 井 生产天然气水合物的主要因素 ， 在清井作业时 ， 低温 ． 高压条件下 的水合物堵塞不可避免 ， 化 学法的抑制 和机械法的事故处理是最有效的方案组合。 3 6 石油钻采工艺 2 0 1 0年 5月 第 3 2卷 第 3期 4 结论 Co n c l u s i o n s 1 由于清井放喷时， 对温度场在时问上的分布 计算不准确性， 对温度变化和药剂注入量的准确把 握尚需经验摸索。 2 由于研究对象局限于节点处， 而整个管柱流 线上还没有准确预测由于水和天然气组分变化在不 同温度变化区间和沿程分布 的关 系， 因而无法准确 计算需要添加的化学药剂量。 3 在钻井船清井放喷期间 ， 由于注入甲醇量受 管线 内径小的影响， 加之注入点有限， 无法在水下更 多地注入甲醇。 4 在深水油田完井作业期问， 最有效预防水合 物生成的方法是将含水量与低温时间错开 ， 清井前 在完井管柱内部替人 白油。 5 生产过程中， 南于 中后期的含水上升 ， 加之气 油比高 ， 一旦在关井时造成低温和高压条件形成 ， 很 容易在水下生产系统形成水合物堵塞， 建议研究预 防水合物堵塞的应对方法 。 参考文献 Re f e r e nc e s [ 1 ] 吴时国， 姚根顺， 董冬冬， 等 ． 南海北部陆坡大型气田区 天然气水合物的成藏地质构造特征 [ J ]． 石油学报， 2 0 0 8， 2 9 3 3 2 4 3 2 8 ． WU S h i g u o ，YAO Ge ns h un ，DONG Do n gd o n g， e t a 1 ． Ge o - l o gi c a l s t r u c t ur e s f or f o r mi ng ga s h yd r a t e r e s e r v oi r i n t he h u g e d e e p wa t e r g a s fi e l d o f t h e n o r t h e rn S o u t h C h i n a S e a [ J l A c t a P e t r o l e i S i n i c a ， 2 0 0 8 ， 2 9 3 3 2 4 3 2 8 ． [ 2] 熊颖， 王宁升， 许深皓， 等 ． 天然气水合物的结构特征及 防治措施 [ J ]． 油气储运， 2 0 0 8 ， 2 7 6 4 8 5 2 ． XI ONG Yi ng ， WANG Ni n gs h e n g ，XU Sh e n ha o ，e t a 1 ． S t r u c t u r a l c ha r a c t e r i s t i c s o f na tur a l g a s h yd r a t e s a n d pr e ve nt i o n a n d c o n t r o l Me a s u r e s[ J ]． 0i l G a s S t o r a g e a n d T r a n s ． p o r t a t i o n ， 2 0 0 8 ， 2 7 6 4 8 ． 5 2 ． [ 3] 王志远， 孙宝江， 程海清， 等 ． 深水井控过程中天然气水 合物生成区域预测 [ J ]． 应用力学学报， 2 0 0 9 ， 2 6 2 2 2 4 2 29． WANG Z h i y u a n ， S U N B a o j i a n g ， C HE NG H a i q i n g ， e t a 1 ． P r e d i c t i o n o f n a t u r a l g a s h y d r a t e f o r ma t i o n a r e a d u r i n g d e e p wa t e r we l l c o n t r o l l J J． C h i n e s e J o u rna l o f A p p l i e d Me c h a n i c s ， 2 0 0 9 ， 2 6 2 2 2 4 ． 2 2 9 ． [ 4] 李安星 ． 天然气水合物形成速度的影响因素 [ J ] ． 油 气田地 面工程 ， 2 0 0 8 ． 2 7 7 8 4 ． L 1 An x i n g ． F a c t o r s i n f l u e n c i n g f o rm i n g v e l o c i t y o f g as h y d r a t e l J j．0 i l G a s fi e l d S u r f a c e E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 8 ， 2 7 7 8 4 收稿 日期2 0 1 0 ． 0 3 ． 1 0 [ 编辑薛改珍 ]